Development of the Lund AMS Facility for the Detection of 59Ni – with Applications in the Nuclear Industry

Abstract: Popular Abstract in Swedish Acceleratormasspektrometri, AMS, är en relativt ny metod för att bestämma extremt låga koncentrationer av såväl radioaktiva som stabila atomer. Metoden innebär att man med kärnfysikalisk teknik räknar atomerna en och en. De främsta fördelarna med AMS, jämfört med konventionella metoder, är att mycket små provmängder kan analyseras och att mättiden är kort. Mängden av en radioaktiv isotop (isotoper är atomer av samma grundämne men med olika antal neutroner i kärnan) kan bestämmas på två sätt. Antingen mäter man den strålning som utsänds vid sönderfall eller räknar man antalet atomer, vilket är fallet med AMS. Om isotopens halveringstid och sönderfallsschema är kända, ger båda metoderna samma information. Vilken metod som är mest fördelaktig varierar från fall till fall. Generellt gäller att för isotoper med långa halveringstider - då antalet atomer i provet är stort jämfört med antalet som sönderfaller under mättiden - blir metoden att räkna atomer mer effektiv. AMS-systemet i Lund började byggas upp 1988 och har som basutrustning den nästan 30 år gamla Pelletronacceleratorn. Provet som ska analyseras, vanligen något fast material, placeras i jonkällan. Där skapas fria negativa joner som efter en mindre acceleration når det första filtret, inflektionsmagneten. Genom denna magnet tillåts endast joner med rätt massa att passera och fortsätta mot acceleratorn. I denna accelereras de negativa jonerna mot en hög positiv potential (1-3 miljoner volt). Mitt i acceleratorn finns en så kallad stripperutrustning (gascell eller tunt kolfolie). När jonerna passerar igenom denna rivs ett antal elektroner av och jonerna blir positiva. Dessutom bryts molekyler sönder, dvs man blir av med molekylisobarer (isobarer är atomer där summan av antalet protoner och neutroner är den samma, d.v.s. de har ungefär samma massa). De nu positiva jonerna accelereras på nytt ut från acceleratorn. På detta sättet utnyttjar man acceleratorns potential två gånger. På väg mot detektorn passeras flera analysenheter där man väljer ut joner med rätt massa och hastighet. Den höga slutliga energin på jonerna medför att identifiering av massa och energi i detektorn underlättas och jonerna kan räknas en och en. För att få fram koncentrationen av den sökta isotopen normerar man mot någon stabil isotop av samma ämne. AMS-systemet är framförallt bra på att sortera ut joner med rätt massa. Problem kan därför uppstå då det finns en interfererande isobar, t ex i fallet med 59Ni är 59Co en isobar. I den här avhandlingen beskrivs en metod för att mäta aktivitetskoncentrationer av 59Ni, som har en halveringstid på 76 000 år. 59Ni bildas bl a i stål nära härden i en kärnreaktor och dess förekomst styr klassificeringen av det blivande avfallet. Olika parametrar i acceleratorsystemet har undersökts och tekniska förbättringar har gjorts i syfte att optimera detektionen av 59Ni. Två olika metoder för att på kemisk väg reducera mängden av den störande isobaren 59Co i provmaterialet, har utvecklats. Mätningar på ett antal prover från de svenska kärnreaktorerna har genomförts och resultaten presenteras i avhandlingen. Metoden används numera rutinmässigt för uppdragsmätningar åt den svenska kärnkraftsindustrin.